温度はリチウムイオン太陽電池の選択にどのような影響を与えますか?

リチウムイオン太陽電池 は主に住宅部門と商業および産業用のエネルギー貯蔵に使用され、住宅所有者や企業が太陽光発電 (PV) の利用を拡大したり、電気代を節約したり、送電網が停止した場合にバックアップ電力を提供したりするのに役立ちます。材料価格が下落し、リチウム電池の人気が高まるにつれ、太陽エネルギー貯蔵市場ではリチウムイオン電池が鉛酸に取って代わりつつあります。

リチウム太陽電池に使われる2種類のリチウムイオン

リチウムイオン太陽電池メーカーでは、通常、リチウム - ニッケル - マンガン - コバルト三元系リチウムイオン電池 (NMC) とリン酸鉄リチウム (LFP) 電池の 2 つの一般的なタイプのリチウムイオン電池が使用されます。これらは、リチウムイオン太陽電池の主要なプレーヤーです。市場。どちらのタイプのバッテリーもリチウムイオン交換の動作原理に基づいていますが、いくつかの大きく異なる性能と特性を持っています。

エネルギー密度はバッテリーの性能を評価するための重要な指標です。一般に、エネルギー密度が高いほど、バッテリーが単位重量または単位体積あたりに保持できる電力が増加し、航続距離が長くなります。 LFP のエネルギー密度は約 140 Wh/kg です。 NMC のエネルギー密度は基本的に 240 kWh/kg です。つまり、同じ重量の下で、NMC のエネルギー密度は LFP のエネルギー密度より 1.7 倍高くなります。これは、同じスペースに設置された NMC 太陽電池は LFP 太陽電池よりも長く動作することを意味します。

リチウムイオン太陽電池の寿命に影響を与える主な要因は、充放電サイクル数、使用期間、電池の平均温度の 3 つです。リチウムイオン電池の寿命に影響を与える最大の要因は電池の平均温度で、次に放電深度が続きます。通常、実際の容量と元の容量を比較することによって、バッテリーの有効性を測定します。 LFP 太陽電池は、元の容量の 80% に達するまでに少なくとも 2,000 ～ 3,000 回の完全充電/放電サイクルを実行できますが、NMC バッテリーは 500 ～ 1,000 回の完全充電/放電サイクルしか実行できません。 LFP太陽電池 サイクル寿命ははるかに長く、通常は 10 年以上です。

リチウムイオン電池の安全性

NMC バッテリーとは異なり、LFP バッテリーはより安全な正極材料を使用しているため、高温でも劣化しません。 NMC バッテリーと比較して、LFP バッテリーは熱的および化学的安定性が最も高く、熱暴走時に放出されるエネルギー量が最小限です。熱暴走は 195°C でのみ発生し、放出するエネルギーは最小限です。逆に、NMC バッテリーは 170°C の熱暴走温度に達し、より多くのエネルギーを放出し、制御しないと発火する可能性があります。すべてのリチウムイオン電池は安全であるにもかかわらず、LFP 太陽電池は入手可能なエネルギー貯蔵デバイスの中で最も安全なものの 1 つです。

温度と放電

住宅用エネルギー貯蔵の用途に応じて、リチウムイオン太陽電池には 2 つの一般的な用途があります。 1 つ目は、バックアップ電源としての用途です。この場合、送電網の停止中に重要な負荷を稼働し続けるため、太陽電池電源に即座に切り替える必要があります。この場合、蓄電池は負荷からの大電流および高電力サージに耐える必要があります。 2 番目のシナリオは、日中に PV パネルまたはグリッドから電力を蓄え、夜間に負荷に放電することです。これには通常、バッテリーが少なくとも 6 ～ 8 時間電力を供給できる必要があります。

Li-FePO4 バッテリーは内部抵抗が非常に低く、過度の熱を発生させることなく高速放電に耐えることができますが、NMC バッテリーの内部抵抗は LFP バッテリーの約 10 倍であるため、NMC 内部でより多くの熱が発生します。同じ速度で放電した場合のバッテリー。たとえば、48V 50Ah (2.4kWh) NMC バッテリーは 50 ～ 100A の放電電流を提供できますが、LFP は 500 ～ 1000A の放電電流を提供できます。

パッシブまたはアクティブ冷却

リチウムイオン電池の寿命に影響を与える 3 番目の要因は周囲温度です。リチウムイオン電池の市場アプリケーションでは、電池温度を管理するためのパッシブ冷却 (ファンなし) からアクティブ冷却 (継続的に動作するファン)、動的アクティブ冷却 (可変速ファン駆動) まで、さまざまな方法で電池が冷却されます。住宅用エネルギー貯蔵では通常、受動的冷却が使用されますが、リチウムイオン電池は -20°C ～ 60°C で安全に動作できますが、電池寿命を最大化する最適な温度範囲は 10°C ～ 30°C です。高電流の放電によりバッテリー内部に熱が発生しますが、安定した温度環境によりバッテリー寿命を最大限に延ばすことができます。

NMC バッテリーの化学的性質と高いインピーダンスに基づいて、LFP バッテリーと比較して放電時により多くの熱を発生することに注意することが重要です。安全性はリチウムイオン電池にとって重要な問題であるため、 エネルギー貯蔵 LFP 太陽電池の優れた熱安定性は安全で環境に優しいため、エネルギー貯蔵用途に有利です。

そのため、負荷への十分な電力供給を確保するために、実際のアプリケーションでは、必要な電流を満たすためにより多くの NMC バッテリー モジュールを並列する必要がある場合がありますが、少数の LFP バッテリーでこの目標を達成できます。スペースとアプリケーションのシナリオを考慮すると、NMC バッテリーは、より長い放電期間にわたって低い電流伝達 (つまり 1 時間 50A) に耐えることができるアプリケーションにより適していますが、LFP バッテリーは、より短期間でより高い電流伝達 (つまり 10 分で 300A) を提供することもできます。 ）。

アクティブ冷却の利点

一般に、温度調整のためにバッテリーにファンを追加すると製品が複雑になる可能性がありますが、これによりバッテリーに非常に多くのメリットがもたらされます。厳しい気象環境の一部のアプリケーションでは、バッテリーの温度は、非常に寒く乾燥した状態から非常に暖かく湿った状態まで変化します。熱暴走が発生した場合、受動的冷却が行われているバッテリー内部の温度は外部よりも早く上昇し、ホットスポットが発生し、利用可能な放電電流量が制限されます。これにより、リチウムイオン太陽電池の急速な劣化が引き起こされる可能性もあります。アクティブ冷却により、バッテリーの充電および放電中の発熱をより適切に最小限に抑えることができます。すべての条件が同じであれば、アクティブ冷却は太陽電池のより良い充放電電流をサポートできます。

バッテリーの内部構造にはより多くの金属が含まれており、結露によるショートを引き起こす可能性もあります。温度差により、湿った空気によりバッテリー内の敏感な電子機器に水が結露する可能性があります。したがって、アクティブな冷却は、バッテリー内部の結露によるバッテリーの機能の変化やバッテリーのコンポーネントの損傷も防ぎます。先行投資が高額となる商業用および産業用エネルギー貯蔵市場では、メーカーは通常、熱暴走による経済的損失や環境汚染を防ぐために、空冷または液体冷却をアクティブ冷却に使用します。

要約すると、市場には多くのリチウムイオン太陽電池があります。正しいものを選ぶ前に 太陽電池メーカー またはモデルを使用する場合、住宅用エネルギー貯蔵庫または商業用および産業用エネルギー貯蔵庫の動作を維持するために必要な電力、必要な実行時間を評価し、動作する環境を決定するために、これらのバッテリーの電力を知る必要があります。熱の役割を決定します。このデータを使用すると、リチウムイオン太陽電池の化学的性質、パッシブおよびアクティブ冷却特性、利用可能なソリューションが提供する主要な機能を評価することができます。